2.3.2　频率的选择

频率的选择是影响无线传感器网络性能、体积和成本的一个重要参数。

（1）从节点功耗的角度考虑自身能耗、传播损耗与工作频率的关系。在传输相同的有效距离时，载波频率越高则消耗能量越多，这是因为载波频率越高对频率合成器的要求也就越高。射频前端收发机中频率合成器可以说是其主要的功耗模块，并且根据自由空间无线传输损耗理论也可知，波长越短其传播损耗越大，这意味着高频率需要更大的发射功率来保证一定的传输距离。

（2）从节点物理层集成化程度、成本的角度来考虑。虽然当前的CMOS工艺已经成为主流，但是对大电感的集成化还是一个非常大的挑战，随着深亚微米工艺的进展，更高的频率更易于电感的集成化设计，这对于未来节点的完全SoC设计是有利的，所以频段的选择是一个非常重要的问题。由于无线传感器网络是一种面向应用的网络，所以针对不同的实际应用应该在综合成本、功耗、体积的条件下进行一个最优的选择。美国联邦通信委员会（FCC）给出了2.4 GHz是当前工艺条件下，将功耗、成本、体积等折中较好的一个频段，并且是全球ISM频段。但是这个频段是现阶段不同应用设备可能造成相互干扰最严重的频段，因为蓝牙、WLAN、微波炉设备及无绳电话等都采用该频段的频率。

无线传感器网络物理层设计当前仍面临着以下两个方面的挑战。

1）成本

低成本是无线传感器网络节点的基本要求，只有低成本，才能将节点大量地布置在目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优点。物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本，节点最大限度地集成化设计，减少分立元件是降低成本的主要手段。天线和电源的集成化设计目前仍是非常有挑战性的工作。不过随着CMOS工艺技术的发展，数字单元部分已完全可以基于CMOS工艺实现，并且体积也越来越小，但是模拟部分尤其是射频单元的集成化设计仍需占用很大的芯片面积，所以尽量靠近天线的数字化射频收发机的研究是降低当前通信前端电路成本的主要途径。

另外，由于无线传感器网络中大规模的节点布置和时间同步的要求，使得整个网络对物理层频率稳定度的要求非常高，一般低于5 p/m，所以晶体振荡器是物理层设计中必须考虑的一个部件。尽管随着MEMS技术的发展，MEMS谐振器的研究已经取得了很大的进展，但是仍然无法满足当前频率稳定度的要求。晶体振荡器仍是影响当前物理层成本的一个重要因素。

2）功耗

低功耗是无线传感器网络物理层设计的另一重要指标。要使无线传感器网络节点寿命达到2至7年，就要求节点的平均功耗在几微瓦，虽然可以采用duty-cycle的工作机制来降低平均功耗，但是当前商业化通信芯片的功耗仍在几十毫瓦，这对于能源受限的无线传感器网络节点来说，仍是难以接受的。由于当前射频出去的能量远远小于收发机电路自身的能量消耗，所以如何有效地降低收发机电路自身的功耗，是当前无线传感器网络物理层设计需要解决的主要问题之一。

物理层调制/解调方式的选择直接影响了收发机的结构，也决定了通信前端电路的固定功耗。超宽带技术是一种无须载波的调制技术，其超低的功耗和易于集成的特点非常适合短距离通信的无线传感器网络应用。PicoRadio的Rabacy等人开展了以超宽带技术为物理层的研究。但是由于超宽带需要较长的捕获时间，即需要较长的前导码，这将降低信号的隐蔽性，所以需要MAC层更好的协作。